复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法技术

本发明专利技术涉及一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法，属于精密科学仪器领域。包括复合载荷-多物理场加载试验平台、原位监测平台和隔振基座三大部分。隔振基座主要用于支承复合载荷-多物理场加载试验平台、原位监测平台，并为其安装提供定位，同时在测试中为各类精密驱动加载元件、检测元件以及原位监测元件提供有效的隔振处理。原位监测平台通过对各监测模块位姿的精确调整，实现对上述复杂载荷条件下材料样品的微观变形、损伤机制、微观组织结构变化以及性能演化进行实时的动态原位监测。优点在于：结构小型化和轻量化，可选配真空腔将仪器主体置于其中，从而为被测材料样品提供如低压、真空、惰性气体等测试环境。实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密科学仪器领域，特别涉及一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法。本专利技术的复合载荷模式力-电-热-磁多物理场耦合加载条件下的材料微观性能原位测试仪器与方法可以提供“拉伸/压缩-低周疲劳-扭转-弯曲”四种力学载荷中的一种或多种，也可针对典型功能材料开展在“应力场-温度场（高/低温）-电场-磁场”多物理场耦合作用下的微观性能测试，最多可同时实现上述七种载荷方式共存的并行加载测试。利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块，可以精准测量复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。利用原位监测平台对材料样品在复杂应力状态、多物理场耦合情况下，精确的动态监测复杂载荷作用过程中及作用后，材料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役性能、可靠性与使用寿命的重要数据信息，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。
技术介绍
新材料新工艺的研发与应用是工业发展的基础，而材料科技的不断发展也依赖于对材料各类力学性能与物理性能的深入研究。材料力学性能测试技术，主要为了获取材料的弹性模量、切变模量等宏观上的力学参数。但是，随着材料科技的快速发展，各类新材料不断涌现，而对这些新材料的特异性的测试分析也逐渐成为国际学术界和工程界的研究热点。传统的材料力学性能测试手段难以全面反映新材料的物理特性，特别是材料在实际工况下，往往是在复合载荷作用下工作，材料的各类物理性能与力学性能已经不能以单一载荷测试下的性能进行评定。在现有的研究水平下，针对单一载荷的材料测试技术已趋于成熟，针对两种或两种以上复合载荷作用的材料测试理论方法和仪器设备也已被广泛研究。但是这些仅仅是针对应力场加载的仪器设备，并不能真实的反映出材料的实际工况，并且其测试原理多为离位测试，不能对测试过程中材料样品的微观组织形貌进行实时动态的观察，很难将材料微观组织变化的内在机理与材料宏观力学性能有效地结合起来综合分析材料的性能。因此，在现有的仪器难以满足上述复合载荷作用下，材料性能测试多为离位过程的背景下，开发一种能够基于复合载荷模式力-电-热-磁多物理场耦合环境下的材料微观力学性能原位测试仪器，并提出相应的测试方法，已成为新型材料测试仪器的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器与方法，解决现有仪器设备不能实现力-电-热-磁多物理场耦合作用下的材料性能原位测试的问题。本专利技术可以实现在拉伸/压缩加载的基础上，集成其他的力学加载形式，同时还可以构建高温场/低温场-电场-磁场的多物理场耦合条件，利用仪器内嵌的原位微纳米压痕测试模块，可以精准测量在这些复杂载荷条件作用下，材料样品压痕曲线、硬度、弹性模量等参量的动态演变情况。仪器可实现拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳、温度场、电场、磁场的任意组合，最多可同时实现上述七种载荷方式共存的并行加载测试，为接近服役条件下材料微观力学性能测试提供有效的手段和方法。同时，借助仪器嵌入的光学显微成像监测模块、显微拉曼监测模块等多种类型原位监测模块，能精确的动态监测复杂载荷作用过程中及作用后，材料的物理性能参数、变形损伤、微观组织变化与性能演变等关乎材料服役性能、可靠性与使用寿命的重要数据信息。本专利技术可整机与真空腔集成，模拟更为丰富的实验环境，如低气压环境、真空环境、惰性气体环境等。本专利技术的加载模式及试验条件更能接近材料的实际服役情况，获取更为丰富的材料性能参数，为研究材料的力学性能、物理性能、微观组织形貌与材料失效机理提供了有效的测试方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，包括复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2和隔振基座3，所述隔振基座3用于支承复合载荷-多物理场加载试验平台1、原位监测平台2，为其提供基础性的安装定位，并为测试过程提供有效的隔振处理；所述复合载荷-多物理场加载试验平台1依据试验条件，对被测材料样品施加拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳载荷模式的力学加载，同时对载荷信号和变形信号的精密检测，进而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试；依据试验条件，对被测材料样品施加力、电、热、磁多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物理性能参数的精确测量；在复合载荷-多物理场加载试验平台1耦合作用下，实现对被测材料样品施加接近服役条件下的力学与外场耦合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性能参数进行精确测量和定量分析；通过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用下材料硬度、弹性模量基本力学参数的动态演化情况；所述复合载荷-多物理场加载试验平台1包括拉伸/压缩加载模块11、扭转加载模块12、弯曲加载模块13、低周疲劳加载模块14、微纳米压痕测试模块15、高温加载模块16、低温加载模块17、磁场加载模块18、电场加载模块19，所述低温加载模块17、电场加载模块19的核心装置直流电源和循环制冷泵为外置设备；所述拉伸/压缩加载模块11固定于偏摆台2501台面上，扭转加载模块12分为扭转加载主动单元1201、扭转加载固定单元1202两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块11的扭转端拉伸滑座1103、疲劳端拉伸滑座1104上，低周疲劳加载模块14安装于疲劳端拉伸滑座1104上与扭转加载固定单元1202的尾部连接，弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模块15、红外热成像监测模块22分别固定于侧向加载观测模块24的弯曲进给单元2401、压痕进给单元2403、红外热成像仪进给单元2402上，并一同安装于功能切换单元2404上；功能切换单元2404的往复运动实现弯曲加载模块13、微纳米压痕测试模块15、红外热成像监测模块22的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元2402的直线运动调节红外热成像监测模块22的可视范围，弯曲进给单元2401的直线运动带动弯曲压头1302实现弯曲载荷加载，压痕进给单元2403的直线运动带动压痕压头1509进行压入点位的初定位；高温加载模块16通过调整滑座1602、调整滑座导轨1805与磁场加载模块18连接，磁场加载模块18、侧向加载观测模块24分别固定在拉伸/压缩加载模块11主轴线的两侧。所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，集成其他的力学加载测试模式，同时还可构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材料的微观力学性能；最多可以实现“拉伸-疲劳-弯曲-扭转-高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：包括复合载荷‑多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2）和隔振基座（3），所述隔振基座（3）用于支承复合载荷‑多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2），为其提供基础性的安装定位，并为测试过程提供有效的隔振处理；所述复合载荷‑多物理场加载试验平台（1）依据试验条件，对被测材料样品施加拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳载荷模式的力学加载，同时对载荷信号和变形信号的精密检测，进而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试；依据试验条件，对被测材料样品施加力、电、热、磁多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物理性能参数的精确测量；在复合载荷‑多物理场加载试验平台（1）耦合作用下，实现对被测材料样品施加接近服役条件下的力学与外场耦合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性能参数进行精确测量和定量分析；通过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用下材料硬度、弹性模量基本力学参数的动态演化情况；所述复合载荷‑多物理场加载试验平台（1）包括拉伸/压缩加载模块（11）、扭转加载模块（12）、弯曲加载模块（13）、低周疲劳加载模块（14）、微纳米压痕测试模块（15）、高温加载模块（16）、低温加载模块（17）、磁场加载模块（18）、电场加载模块（19），所述低温加载模块（17）、电场加载模块（19）的核心装置直流电源和循环制冷泵为外置设备；所述拉伸/压缩加载模块（11）固定于偏摆台（2501）台面上，扭转加载模块（12）分为扭转加载主动单元（1201）、扭转加载固定单元（1202）两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块（11）的扭转端拉伸滑座（1103）、疲劳端拉伸滑座（1104）上，低周疲劳加载模块（14）安装于疲劳端拉伸滑座（1104）上与扭转加载固定单元（1202）的尾部连接，弯曲加载模块（13）、微纳米压痕测试模块（15）、红外热成像监测模块（22）分别固定于侧向加载观测模块（24）的弯曲进给单元（2401）、压痕进给单元（2403）、红外热成像仪进给单元（2402）上，并一同安装于功能切换单元（2404）上；功能切换单元（2404）的往复运动实现弯曲加载模块（13）、微纳米压痕测试模块（15）、红外热成像监测模块（22）的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元（2402）的直线运动调节红外热成像监测模块（22）的可视范围，弯曲进给单元（2401）的直线运动带动弯曲压头（1302）实现弯曲载荷加载，压痕进给单元（2403）的直线运动带动压痕压头（1509）进行压入点位的初定位；高温加载模块（16）通过调整滑座（1602）、调整滑座导轨（1805）与磁场加载模块（18）连接，磁场加载模块（18）、侧向加载观测模块（24）分别固定在拉伸/压缩加载模块（11）主轴线的两侧；所述复合载荷‑多物理场加载试验平台（1）在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，同时还可构建高温/低温‑电场‑磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材料的微观力学性能；最多可以实现“拉伸‑疲劳‑弯曲‑扭转‑高温场/低温场‑电场‑磁场”或“压缩‑弯曲‑扭转‑高温场/低温场‑电场‑磁场”的复合载荷‑多物理场耦合加载试验，模拟丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几种功能进行耦合加载。...

【技术特征摘要】
1.一种复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征在于：包括复合载
荷-多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2）和隔振基座（3），所述隔振基座（3）用于支
承复合载荷-多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2），为其提供基础性的安装定位，
并为测试过程提供有效的隔振处理；所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）依据试验条
件，对被测材料样品施加拉伸/压缩、弯曲、扭转、低周疲劳载荷模式的力学加载，同时对载
荷信号和变形信号的精密检测，进而实现复合载荷模式下材料的力学性能测试；依据试验
条件，对被测材料样品施加力、电、热、磁多外场载荷，并实现对外场加载参数和材料相应物
理性能参数的精确测量；在复合载荷-多物理场加载试验平台（1）耦合作用下，实现对被测
材料样品施加接近服役条件下的力学与外场耦合作用的复杂载荷，同时对材料基本物理性
能参数进行精确测量和定量分析；通过微纳米压痕测试试验，可测定在各类外部载荷作用
下材料硬度、弹性模量基本力学参数的动态演化情况；
所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）包括拉伸/压缩加载模块（11）、扭转加载模
块（12）、弯曲加载模块（13）、低周疲劳加载模块（14）、微纳米压痕测试模块（15）、高温加载
模块（16）、低温加载模块（17）、磁场加载模块（18）、电场加载模块（19），所述低温加载模块
（17）、电场加载模块（19）的核心装置直流电源和循环制冷泵为外置设备；所述拉伸/压缩加
载模块（11）固定于偏摆台（2501）台面上，扭转加载模块（12）分为扭转加载主动单元
（1201）、扭转加载固定单元（1202）两部分，分别安装于拉伸/压缩加载模块（11）的扭转端拉
伸滑座（1103）、疲劳端拉伸滑座（1104）上，低周疲劳加载模块（14）安装于疲劳端拉伸滑座
（1104）上与扭转加载固定单元（1202）的尾部连接，弯曲加载模块（13）、微纳米压痕测试模
块（15）、红外热成像监测模块（22）分别固定于侧向加载观测模块（24）的弯曲进给单元
（2401）、压痕进给单元（2403）、红外热成像仪进给单元（2402）上，并一同安装于功能切换单
元（2404）上；功能切换单元（2404）的往复运动实现弯曲加载模块（13）、微纳米压痕测试模
块（15）、红外热成像监测模块（22）的位置选择和工位切换，红外热成像仪进给单元（2402）
的直线运动调节红外热成像监测模块（22）的可视范围，弯曲进给单元（2401）的直线运动带
动弯曲压头（1302）实现弯曲载荷加载，压痕进给单元（2403）的直线运动带动压痕压头
（1509）进行压入点位的初定位；高温加载模块（16）通过调整滑座（1602）、调整滑座导轨
（1805）与磁场加载模块（18）连接，磁场加载模块（18）、侧向加载观测模块（24）分别固定在
拉伸/压缩加载模块（11）主轴线的两侧；
所述复合载荷-多物理场加载试验平台（1）在实现拉伸/压缩加载测试的基础上，同时
还可构建高温/低温-电场-磁场的物理场环境，此外能够实现利用压入式检测手段分析材
料的微观力学性能；最多可以实现“拉伸-疲劳-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场”或
“压缩-弯曲-扭转-高温场/低温场-电场-磁场”的复合载荷-多物理场耦合加载试验，模拟
丰富的试验环境，获取丰富的材料物理性能参数，也可以模拟特定工况，选择其中一种或几
种功能进行耦合加载。
2.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征
在于：所述的复合载荷-多物理场加载试验平台（1）、原位监测平台（2）与真空腔（4）集成，实
现对真空环境下的复合载荷-多物理场耦合加载试验和原位监测；隔振基座（3）集成于真空
腔（4）内，防止真空泵工作时产生的振动影响仪器的原位监测效果；在配备真空腔的条件
下，复合载荷-多物理场加载试验平台（1）放置于偏摆支承模块（25）上，偏摆支承模块（25）
的偏摆台（2501）放置于重载导轨（2502）上，试验结束时将复合载荷-多物理场加载试验平
台（1）连同偏摆台（2501）部分抽出真空腔（4），便于更换材料样品；同时通过导轨的对接，将
载物工具车（6）与真空腔（4）内的隔振基座（3）连接，将复合载荷-多物理场加载试验平台
（1）完全抽出真空腔（4）外，以方便对其进行调试、检修。
3.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征
在于：所述的拉伸/压缩加载模块（11）采用双向拉伸结构，由拉压伺服电机（1101）驱动双向
丝杠（1102），带动扭转端拉伸滑座（1103）和疲劳端拉伸滑座（1104），保证两侧行程、移动速
度一致，实现拉伸/压缩载荷的加载，由直线光栅读数头Ⅰ、Ⅱ（1105、1118）测得拉伸/压缩加
载变形。
4.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征
在于：所述的扭转加载模块（12）包括扭转加载主动单元（1201）、扭转加载固定单元（1202）
两部分，采用一端扭转一端固定的方式，扭转加载主动单元（1201）为加载端，由扭转伺服电
机（120104）驱动扭转主动齿轮（120108）、扭转从动齿轮（120109）带动主动端夹具体
（120116）实现扭矩的加载；扭转加载固定单元（1202）为固定端，由固定端夹具体（120204）、
连接轴（120209）将扭矩传递给拉扭复合传感器（120210），实现拉伸力、扭矩大小的测定；主
动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）分别安装有圆光栅读数头Ⅰ、Ⅱ（120117、
120202），通过测量扭转试验时读取的角度差实现扭转角的精准测定；
所述扭转加载主动单元（1201）的旋转接头（120106）分为旋转接头定子（120106B）、旋
转接头转子（120106A），所述旋转接头转子（120106A）上开有环槽，与旋转接头定子
（120106B）上的通流口联通，在定子转子间存在相对转动时仍能实现流体的输送，并利用连
接法兰（120107）实现将主动端夹具体（120116）的流道与旋转接头（120106）的流道对接，实
现在主动端夹具体（120116）因扭转加载产生转动时制冷液导入与循环；低温加载模块（17）
依靠主动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）的内置制冷流道，利用外置的低温制
冷泵，将制冷液泵送至主动端夹具体（120116）、固定端夹具体（120204）内部开通的流道内，
通过热传导的方式为材料样品制冷，为材料样品营造低温试验环境。
5.根据权利要求1所述的复合载荷模式力电热磁耦合材料性能原位测试仪器，其特征
在于：所述的低周疲劳加载模块（14）的疲劳加载模块柔性铰链（1402）的内框固定在疲劳加
载模块底座（1401）上，外框与连接板（120211）连接；疲劳加载模块压电叠堆（1403）通过疲

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，刘长宜，马志超，任露泉，刘先华，周永臣，孙霁雯，乔元森，任壮，洪坤，张富，范尊强，张志辉，呼咏，董景石，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22